（环境工程专业论文）地膜覆盖对重金属在土壤农作物体内迁移的影响.pdf

i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 y 1 7 7 6 彳岩苔 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：币铆扫矽日期山扣年歹月l ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密影 v ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：侃御位 刷磴轹秀川、耍：荛i 篓篆；冕： 日期：c ) 0 0 年r月坍日 地膜覆盖对重金属在土壤农作物体内迁移的影响 摘要 采用盆栽和大田种植的方式，通过对比实验( 与不覆膜对照) ，研 究了地膜覆盖对重金属在土壤蚕豆、土壤玉米和土壤莴苣体系间迁 移规律的影响，并探讨了其迁移机制。 研究结果表明，地膜覆盖普遍降低了土壤有机质含量，增加了植 物的生物量，对土壤p h 的影响表现为，在蚕豆和莴苣体系中增加，而 在玉米体系中下降。地膜覆盖增加了土壤中细菌和真菌的数量，放线 菌数量的变化较为复杂，在蚕豆和玉米体系中分别增加了5 1 2 和 2 7 5 ，在莴苣体系中降低了4 6 2 。地膜覆盖对土壤重金属的生物有 效性的影响不显著，在蚕豆和莴苣体系中表现为略微降低，而在玉米 体系中则表现为略微增加。 地膜覆盖对c u 、p b 、z n 、c d 、f e 和m n 等6 种金属元素在土壤 农作物间的富集和迁移的影响随元素和农作物种类而异：在土壤蚕豆 体系，覆膜对根部富集的影响不明显，仅促进了根对z n 元素的摄取； 但却促进了6 种元素在根叶间的迁移，其中f e 和p b 的迁移系数分别 增加了3 4 6 3 和3 7 0 ；阻碍了除p b 以外其余重金属元素由根向果实 的迁移。在土壤玉米体系中，覆膜促进了根对重金属的富集( m n 除 外) ；并促进了p b 和m n 元素由根向茎、叶和果实部位的迁移，以及 除c u 以外其他元素由根向果实的迁移。在土壤莴苣体系，覆膜增加 了根和叶中的重金属含量，降低了茎中的重金属含量。覆膜促进了根 l 浙江丁业人学硕士学位论文 对重金属元素的富集，却阻碍了多数重金属元素在根一茎和根叶间的迁 移。 添加有机肥可以降低土壤p h ，增加土壤有机质含量、植物生物量 和土壤细菌的数量。添加有机肥还显著增强了个别重金属元素的生物 有效性：在蚕豆体系中，极大地促进了p b 由根向叶和果实的迁移；在 玉米体系中，极大地促进了c u 由根向果实、以及f e 由根向茎、叶和 果实部位的迁移。 在蚕豆、玉米和莴苣3 个体系的研究结果表明，覆膜对重金属由 土壤向作物体内迁移的影响机制来自两方面，一是通过对土壤重金属 形态分布的影响，另一方面可能是通过促进植物的生长，从而促进了 作物对某些重金属的摄取。 关键词：地膜覆盖，农作物，重金属，富集，迁移 浙江t 业人学硕i ：学位论文 e f f e c t o fp l a s t i cf i l mm u l c h i n go n t r a n s l o c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f h e a v ym e t a l si ns o i la n dc r o ps y s t e m a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t sw a sc o n d u c t e di nt 、v od i 日e r e n tp l a n t i n gp a ：t t e m s ( f i l mc o v e r i n ga n dn o nf i l mc o v e r i n g ) w i t hb r o a db e a n ，m a i z ea n dl e t t u c e t os t u d ye f f e c to fp l a s t i cf i l mm u l c h i n go nt r a n s l o c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f h e a 、7m e t a l si nt h es o i la n dc r o ps y s t e m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tb yp l a s t i cf i l mm u l c h i n g ，s o i l o 玛a n i cm a t t e rw a sd e c r e a s e d ，p l a n tw e i g h tw a si n c r e a s e d ，s o i lp hw a s i n c r e a s e di ns o i l 一b r o a db e a na n ds o i l - l e t t u c es y s t e m s ，h o w e v e rd e c r e a s e di n s o i l m a i z es y s t e m a n dt h ea m o u n to fb o ms o i lb a c t e r i aa n d 如n g iw a s i n c r e a s e d ，w h i l et h eb e h a v eo fa c t i n o m y c e t e sw a sm o r ec o m p l e x ，i tw a s i n c r e a s e db y51 2 a n d2 7 5 i ns o i l - b r o a db e a na n dm a i z er o o ts o i l s r e s p e c t i v e l y ，b u ti tw a sd e c r e a s e db y4 6 2 i nl e t t u c er o o ts o i l b yp l a s t i c f i l m m u l c h i n g ， t h e b i o a v a i l a b i l i t yo fh e a v ym e t a l sw a sd e c r e a s e di n s o i l - b m a db e a na n ds o i l l e t t u c es y s t e m ，h o w e v e ri n c r e a s e di ns o i l m a i z e s y s t e m i ns o i l b r o a db e a ns y s t e m ，p l a s t i cf i l mm u l c h i n gi n n u e n c e dal i t t l et o t h eh e a 、，ym e t a le n r i c h m e n t so fr o o t ，e x c e p tz n ，a u l di to b v i o u s l yp r o m o t e d n l 浙江t 业人学硕1 j 学位论文 t h et r a n s l o c a t i o no fh e a v ym e t a l sf 而mr o o tt ol a m i n a ，i np a r t i c u l a r ，i t g r e a t l yp r o m o t e dt h et m n s l o c a t i o no fe l e m e n tf ea n dp b ；h o w e v e rp l a s t i c f i l mm u l c h i n gr e d u c e dt r a n s l o c a t i o no fm 萄o r i t ) rh e a 、7m e t a l s 行o mr o o tt o 觚i t ，e x c e p tp b i ns o i l m a i z es y s t e m ，p l a s t i cf i l mm u l c h i n gp r o m o t e dt h e u p t a k eo fh e a v ym e t a l s ( e x c e p tm n ) o ft h er o o t ，a n dp r o m o t e dt h e t r a n s l o c a t i o no fe l e m e n tp ba n dm 1 1 行o mr o o tt oc a u d e x ，l 锄i n aa n df n i t ， a n dt h et r a n s l o c a t i o no fo t h e rh e a 、叫m e t a l s ( e x c e p tc u ) 矗o mr o o tt of m i t i ns o i l l e t t u c es y s t e m ，p l a s t i cf i l mm u l c h i n gp r o m o t e dt h eu p t a k eo fh e a v y m e t a lso ft h er o o t ，a n dr e d u c e dt h et r a n s l o c a t i o no fh e a 、哆m e t a l s 行o mr o o t t 0c a u d e xa n d 仔o mr o o tt ol a m i n a ( e x c e p tc ua n dz n ) t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tb yo 唱a n i cf e n i l i z e rc u l t i v a t i o n ， s o i lp hw a sd e c r e a s e d ，a n ds o i lo 唱a n i cm a t t e ra n dt h e 锄o u mo fs o i l b a c t e r i aw e r ei n c r e a s e d ，a sw e l la sp l a n tw e i g h t t h i sc u l t i v a t i o na l s o i n c r e a s e dt h eb i o a v a i l a b i l i t yo fh e a v ym e t a l s i ns o i l b r o a db e a ns y s t e m ， t h eo 略a n i c 传i r t i l i z i n gc u l t i v a t i o np r o m o t e dt h et r a n s l o c a t i o no fe l e m e n tp b 疗o mr o o tt ol a m i n aa n df m i t i ns o i l m a i z es y s t e m ，t h ec u l t i v a t i o n i n c r e a s e dt h eh e a 、了m e t a l so fm o ta n dl 狮i n a ，b u tr e d u c e dt h eh e a v y m e t a l so fc a u d e x t h ec u l t i v a t i o np r o m o t e dt h et r a n s l o c a t i o no fe l e m e n tf e 疔o mr o o tt oc a u d e x ，1 a m i n aa n df 沌i t ，a n dt h et r a n s l o c a t i o no fe l e m e n tc u f o mr o o tt o 舳i t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f r e c tm e c h a n i s mo fp l a s t i c f i l mm u l c h i n go nt h em i g r a t i o no fh e a v ym e t a l sf 两ms o i l t ot h ec r o pc o m e i v 浙江t 业人学硕 ：学位论文 缸o mt w oa s p e c t s t h ef i r s ti sc h a n g i n gt h ed i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a lsi n s o i l ，t h es e c o n dm a yb ea s s o c i a t e dw i t hp r o m o t i n gp l a n tg r o 、v t h ，t h e r e b y c o n t r i b u t i n gt ot h ec r o pu p t a k eo fc e r t a i nh e a 、7m e t a l s k e yw o r d s ：p 1 a s t i cf i l mm u l c h i n g ，c r o p ，h e a 、7m e t a l s ，a c c u m u l a t i o n ， 1 a n s l o c a t i o n v 浙江t 业人学硕i j 学位论义 目录 第一章文献综述l 1 1 _ 十壤重金属污染概述1 1 1 1 土壤重金属的危害l 1 1 2 我国士壤重金属的污染现状3 1 2 十壤重金属的赋存形态3 1 2 1 十壤重金属形态提取方法概述3 1 2 2 土壤中重金属形态的生物有效性4 1 2 3 十壤重金属形态分布的影响因素5 1 3 重金属在作物体内的迁移与分布7 1 3 1 重金属迁移能力差异7 1 3 2 不同器官( 或部位) 的分布差异7 1 4 农作方式对重金属迁移的影响7 1 4 1 地膜覆盖的影响8 1 4 2 有机肥的影响8 1 5 本文的研究目的和意义9 1 6 主要研究内容9 第二章实验内容与方法1 l 2 1 实验设计1 1 2 盆栽实验1 1 2 1 2 田间采样1 1 2 2 实验仪器和试剂1 2 2 2 1 主要实验仪器12 2 2 2 主要实验试剂1 2 2 3 分析方法一l4 2 3 1 样品制备1 4 2 3 2 十壤理化性质的测定15 v l 第三章 3 1 3 3 第四章 4 1 4 3 第五章 浙江丁业大学硕i ：学位论文 5 1 实验结果一5 6 5 1 1 土壤理化性质和莴蓖生k 情况一5 6 5 1 2 十壤微生物数量和土壤酶活性的分析结果5 7 5 1 3 士壤重金属全量的分析结果。5 8 5 1 4 土壤重金属形态的分析结果5 9 5 1 5 莴冀各部分重金属含量的分析结果6 l 5 2 讨论一6 3 5 2 1 士壤莴节体系重金属的富集系数和迁移系数6 3 5 3 小结一6 4 第六章结论和建议6 5 6 1 结论6 5 6 2 建议6 6 致谢6 7 参考文献6 8 图表目录7 6 攻读硕士学位期间发表的论文7 8 v h i 浙江t 业人学硕l 学位论文 c k ， 矿 w 0 ，m b c f t f p o f 0 p 1 f 0 p o f l p 1 f 1 符号说明 硫酸亚铁铵标准溶液浓度，m o l l 风干土样换算成烘干土样水分换算系数 风干土样质量，g 空白试验消耗硫酸亚铁铵标准溶液体积，m l 土样试验消耗硫酸亚铁铵标准溶液体积，m l 有机质含量，g l ( g 植物富集系数 植物转移系数 对照 覆膜 有机肥 覆膜有机肥 l x 浙江丁业人学硕l ：学位论文 1 1 土壤重金属污染概述 第一章文献综述 重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性和不能被微生物降解等特点，土 壤中重会属积累到一定程度，不仅会导致土壤退化，农作物产量和品质下降，而 且可以通过径流、淋失作用污染地表水和地下水，恶化水文环境，并能毒害植物 或通过食物链途径危害人体健康，这一问题已引起世界各国的广泛重视。 我国环境保护部2 0 0 9 年9 月2 日在陕西召开了全国重金属污染防治工作会 议，传达学习了中央的重要批示精神，提出“把重金属污染防治”摆在更加紧迫更 加重要的位置，采取有力措施，大力防控和应对重金属污染，切实解决危害群众 健康的突出环境问题，为促进经济社会可持续发展，维护人民群众环境权益和身 体健康做出贡献。 1 1 1 土壤重金属的危害 1 1 1 1 重金属对土壤微生物和酶活性的影响 微生物是推动营养元素循环的主要动力。土壤微生物和酶活性能敏感地反应 土壤质量的健康状况。重金属污染土壤后，其微生物活性明显受到抑制。k h a i l 等【l l 的研究指出，在p b 污染矿区土壤微生物生物量受到影响。此外不同重金属 浓度对土壤微生物生物量的影响也不一致。f l l e b b a c h 掣2 j 的研究结果表明，低浓 度重金属能刺激微生物生长，增加微生物生物量，而高浓度重金属则导致土壤微 生物生物量明显下降。 土壤酶和土壤微生物关系密切，土壤中一些酶由微生物分泌，并和微生物一 同参与土壤中物质和能量的循环。研究表明，重金属污染会影响酶活性的大小 p 巧j ，有些重金属元素是土壤酶的重要组成或辅因子，但当重金属过量时会对酶 活性产生抑制作用。同时土壤酶本身对重金属胁迫的反应敏感度存在差异，其中 磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶等对重金属的效应表现得较为敏感睁。 1 1 1 2 土壤重金属对作物的危害 浙江t 业人学硕 ：学位论文 一些重金属进入土壤后，除对土壤理化性质、土壤生物学特性和微生物群落 结构产生不良影响，从而影响土壤生态结构和功能的稳定性外，还会对农作物产 生毒副作用。 重金属对农作物的危害因元素而异，一般来说p b 和c d 等元素被认为是植 物生长所不需要的，当它们存在并且含量较高时，对农作物会产生毒害作用。如， 土壤中c d 超过一定浓度时，会抑制水稻的生长发育；c d 污染使糙米中粗蛋白、 粗淀粉等含量降低，从而降低其营养品质【8 1 ；而当c d 污染量达到5m g l ( g 时， 莴苣和白菜产量稍有下降，但萝卜产量却降低l o 左右【9 1 。另外，c d 还会减少 根系对水分及养分的吸收【l o 】，会抑制根系对氮的固定】。 有些重金属元素是植物生长所需要的，如c u 和z n 等，当土壤中缺乏时， 植物也会生病，如王景安和李涛陋1 3 1 等的研究表明缺锌使玉米生长受阻。然而当 土壤中重金属含量大大超过植物耐受力或到某一阀值时，植物的生长发育就会受 阻，严重的可造成植物死亡。例如，在美国佛罗旱达州，当土壤含c u 量超过5 0 m g l ( g 时，柑桔幼苗生长受到影响，当土壤含c u 量达2 0 0m g 瓜g 时，小麦就会 枯死。野外实地研究证实，土壤中总c u 含量达到1 5 0 4 0 0m g l ( g 或者有效态c u ( d t p a 浸提) 超过1 5m g 瓜g 时，就会对植物产生毒害f 1 4 j 。 1 1 1 3 土壤重金属对人体健康的影响 土壤中的重金属会通过食物链，经过逐级生物富集对人体健康产生危害。它 可以通过食物链对人体健康产生直接危害，还可通过影响水体和大气环境间接对 人体健康造成威胁。1 1 5 j 对于重会属元素，有些是人体生命活动不需要的，如h g 、p b 、c d 等，而有 些则是人体生命活动所必需的，如c u 、z n 等，但当摄入过量反而会对人体产生 毒害作用。针对重金属元素对人体健康的危害，国内外学者作了一系列研究，发 现不同重金属元素对人体所产生的毒害及其机理存在差异。 当金属h g 进入人体后，会与体内酶或蛋白质中许多带负电的基团如琉基结 合，使能量生成、蛋白质及核酸合成受到影响，从而影响细胞的正常功能和生长， 导致组织器官的病变1 1 6 j ，水俣病币是由于无机汞对水域的污染和转化导致甲基汞 形成并在鱼体内富集，最后引起食鱼居民甲基汞慢性中毒所致【1 7 】。当人体长期暴 2 浙江_ t 业大学硕上学位论文 露于低剂量的c d 环境中，可能会引起肾功能损伤、骨矿密度降低【1 8 l ，当人体吸 入过多的c d 时，还会引起身体器官一系列的病变，骨痛病正是由于食用了污染 的镉米所引起的【1 7 】。当人体摄入过量的铜时也会引起病变，人体血清铜含量过高 会使血液钻稠度增大，肺动脉血压升高，从而加重肺心病；铜最容易蓄积在肝脏， 所以当体内铜过量时会引起肝硬化、肝癌【1 9 1 。 1 1 2 我国土壤重金属的污染现状 随着农业生产的发展和农业现代化的推进，人们忽视了土壤环境的承载能 力，过量施用劣质化肥、农药，再加上工业、城市污染的加剧，造成土壤中重金 属污染的r 趋严重，而我国的土壤重金属污染更是不容忽视。我国的土壤重金属 污染物主要是来源于污水灌溉、城市垃圾、工业废渣、工业废弃物堆放以及大气 沉降【2 0 1 。我国的土壤污染除h g 、c d 污染外，c r 、a s 、p b 和c u 的污染也比较严 重【2 l l 。 我国每年受重金属污染的粮食达1 2 0 0 万吨，因重金属污染而导致的粮食减 产高达1 0 0 0 多万吨，合计经济损失至少有2 0 0 亿元【2 2 j 。杨苏才等【2 3 】的研究表明 天津近郊由于污水灌溉造成2 3 万1 1 i i l 2 农田受到重金属污染，沈阳张士灌区重金 属污染面积达到2 5 0 0h m 2 。戴军等l 冽的研究表明华南地区部分城市有5 0 的农 地遭受c d 、h g 、a s 等重金属污染。广州近郊由于污水灌溉导致农田污染2 7 0 0 l l l l l 2 ，由于施用污染底泥导致1 3 3 3h m 2 土壤受到污染。 国内关于蔬菜重金属污染调查结果显示，我国蔬菜地土壤重金属污染更为严 峻。广州市蔬菜地铅污染最为普遍，其次为砷污染【2 5 】。重庆蔬菜重会属污染程度 为c d p b h g ，近郊蔬菜基地土壤重金属c d 和h g 出现超标，超标率分别为 3 6 7 和6 7 【2 6 1 ，珠三角地区近4 0 蔬菜地重金属污染超标，其中1 0 属严重 超标【2 7 1 。 1 2 土壤重金属的赋存形态 1 2 1 土壤重金属形态提取方法概述 土壤重金属形态的提取和分离主要依赖于化学试剂对不同结合态金属元素 溶解能力的不同，这些化学试剂被称之为提取剂。常用的提取剂有中性的电解质， 浙江工业大学硕1 ：学位论文 如c a c l 2 、m g c l 2 ；弱酸的缓冲溶液，如醋酸或草酸；还原性试剂，如n h 2 0 h h c l ； 氧化性试剂，h 2 0 2 ；和强酸，如h c l 、h f 、h n 0 3 。电解质、弱酸主要以离子交 换的方式将金属元素释放出来，强酸和氧化剂主要以破坏土壤基质的方式释放出 金属元素。许多学者针对沉积物和土壤中重金属形态的提取和分离，建立了许多 方法。根据其操作过程，可分为单一形态的单独提取法和多种形态的连续提取法。 而在连续提取法中以t e s s i e r 和b c r 法最为权威。【2 8 】 1 9 7 9 年由t e s s i e r 等【2 9 】提出的基于沉积物中重金属形态分析的五步连续提 取法广泛应用于土壤样品的重金属形态分析。该方法将余属元素分为可交换态、 碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残余态。该方法有以下优 点：( 1 ) 提取的过程相似于自然界状况下土壤遭受的天然的和人为的原因引起的 电解质溶液的淋滤过程；( 2 ) 连续提取法的各种形态之和应等于元素的总量，分 析结果可得到很好的自检；( 3 ) 通过连续提取的方法可得到在不同的环境条件下 土壤重金属的迁移性，并用以分别地判断其危害性，为土壤的合理使用提供科学 依据3 0 1 。 单独提取法和t e s s i e r 等提出的五步连续提取法在分析重金属的污染及迁移 等方面的研究取得了大量的研究成果。但这些利用不同提取剂、不同分析流程得 到的是“操作性定义”的重金属元素形态，导致结果很难进行相互比较，为此有必 要对重金属形态分析的提取流程进行协调和统一，便于世界范围的比较和学术研 究的发展。 欧共体参比司在1 9 8 7 年提出并建立了一套三步连续提取法，用于评估和协 调元素形态分析方法。u r e 等在1 9 9 3 年提出了四步提取b c r 法，即增加了 残余态金属形态，可用以检验各步骤的提取效率。 r a u r e tg 等吲于1 9 9 9 对四步提取b c r 法再次提出改进，在第二步提取中， 以0 5m o l l 的n h 2 0 h h c l 代替0 1m o l l 的n h 2 0 h h c l ，且把酸度调节到p h 1 5 。此方法比t e s s i e r 方法更适宜于高灵敏度的i c p m s 等分析仪器，因为大量 c a 和m g 存在会抑制等离子体的离子化作用。 1 2 2 土壤中重金属形态的生物有效性 土壤重会属元素各形态的生物利用性以及对环境的影响大小并不相同，根据 各形态生物利用性的大小归类，分为可利用态、潜在可利用念和不可利用态。 4 浙江工业大学硕 ：学位论文 t e s s i e r 最早提出了逐级提取技术将土壤中重金属分为了可交换态、碳酸盐结合 态、铁锰氧化物结合态、有机物结合念以及残余态，其中：可利用态主要是指离 子交换态和碳酸结合态，由于其与土壤的结合力较弱，容易释放为游离态离子而 直接被植物吸收利用，因此存在较强的重金属生物有效性，对环境和生物的毒性 较大；潜在可利用态包括铁锰氧化物结合态和有机硫化物态，以铁锰氧化物结合 态存在的重金属，当土壤环境中氧化还原电位降低或土壤环境缺氧时，这部分重 金属会释放到土壤环境中而被植物间接吸收，以有机物及硫化物结合态存在的重 金属，在强氧化条件下，由于有机质或硫离子的氧化而重新释放进入环境中也可 被植物间接吸收；不可利用态一般是指残渣态，由于这部分重金属禁锢于矿物晶 格中，非常稳定，所以很难被植物吸收利用或迁移性很小，所以对环境和生物的 毒性较弱。【3 3 3 4 l 植物对重金属的吸收首先是通过植物根系进行的，虽然有随土壤中重金属总 量的浓度而增加的趋势2 9 1 ，但是根系对重金属的吸收主要与重金属的形态有关 【3 5 】。不同种类的植物吸收重金属的量是不同的，土壤中重金属的有效态含量与植 物重金属含量有着极为密切的关系。网 反之，植物生长也会影响土壤中的重金属赋存状态及移动性。r o m k e n s 等【3 6 l 的盆栽试验结果表明，植物的生长能使土壤p h 上升、土壤溶液中有机碳含量增 加，从而降低土壤中溶解铜总量及活度。但是z h u 等【3 7 1 利用柱状提取法对植物 影响土壤中重金属移动性的研究表明，种植植物会使土壤重金属z n 、c d 的移动 性增加。 1 2 3 土壤重金属形态分布的影响因素 土壤重金属形态主要受重金属元素本身性质和含量、土壤组成成分( 有机质、 粘土矿物，碳酸盐和微生物等) 和土壤环境条件( p h 、e h 、温度和湿度) 的影 响。土壤的物理组成和化学性质直接影响土壤重会属的存在形态，其中p h 和有 机质是影响较大的因素。【3 8 】 土壤质地会影响重金属在土壤中的存在形态。土壤对重金属的吸附与土壤的 颗粒组成有关。土壤颗粒的半径越小，比表面就越大，相应的表面能也越大，因 而吸附的重金属离子也越多。汤鸿霄等在研究粘土矿对镉污染的的吸附特征时 指出，粒径对镉的吸附有明显的影响。而且通过研究土壤的矿物学发现，粘粒含 气 浙江- t 业人学硕+ t = 学位论文 量的多少影响了镉的可交换态含量。 p h 是土壤化学性质的综合反映，也是影响重金属形态分布的最重要因素之 一【4 0 l 。刘霞等【4 1 1 对河北主要土壤进行研究表明：土壤中重金属交换态随p h 升高 而减少且呈极显著负相关，重金属碳酸盐态和铁锰氧化物态与p h 呈显著正相关。 王新等【4 2 】对沈阳草甸棕壤的研究表明：p h 提高使土壤重金属交换态含量降低， p h 下降使重金属有效态含量增加。郭朝晖等1 4 3 】对长沙红壤和黄红壤进行的研究 表明：土壤中重金属形态分布的差异主要是由于不同酸性强度引起的污染土壤的 酸化程度不一，进而加剧了土壤中重金属形态向活性形态的转化。p h 对不同地 域土壤中交换态、碳酸盐结合态重金属普遍存在显著性，对有机态、铁锰氧化物 结合态、残渣态也有一定影响。因此，通过改变土壤的p h 值进而影响土壤中重 金属的化学形态及迁移能力。【3 8 j 土壤有机质也是影响重会属吸持及形态分布的最重要因素之一。土壤有机质 是土壤的重要组成部分，土壤有机质会与重金属离子形成络合物，使重金属离子 浓度下降，从而降低生物对重金属的吸收。有机质的施入能改变土壤对重金属元 素的吸附作用，v o e g e l 等m j 研究发现有机质是一种有效的吸附剂，能降低离子浓 度的活性。土壤中有机质的增加会改变土壤重金属元素的化学形态分布，改变土 壤重金属的移动性。h a n e r 掣4 5 】在研究紫色土时发现，随着土壤中腐殖质的浓度 增加，有机汞的浓度增加而有效态汞减少。刘霞掣删对河北主要土壤研究表明： 碳酸盐结合态与有机质含量呈显著负相关，增加有机质可使碳酸盐结合态向有机 结合态转化。土壤中施入有机质会明显减低植物对土壤中的重金属元素的吸收。 但也有研究表明，有机质加入也可能会使土壤中对植物吸收重金属影响甚微或促 进了对重会属的吸附。导致这一矛盾可能原因是：可溶性的有机物能和重金属形 成络合物增加重金属的移动性。【3 8 】 土壤氧化还原电位会影响重金属在土壤中的存在形态，e h 的变化能够改变 重金属在土壤中的生物有效性和化学迁移性。土壤中有多对氧化还原体系，铁体 系、锰体系、硫体系、氮体系等，e h 是由这么多对体系共同作用的结果【4 7 1 。根 据u r e 等提出的b c r 三步法1 3 ，还原态金属即与铁锰氧化物结合在一起的金属， 当环境条件变为还原状态时即e h 较低时，这部分金属可以释放到环境中去；氧 化态金属即与有机质和硫化物结合的金属，当环境条件变为氧化状态时即e h 较 6 浙江t 业人学硕i j 学位论文 高时，这部分金属可以释放到环境中去。g o m e z 等研究发现，在酸性和还原 性条件下，重金属较易释放到环境中去，即化学迁移性和流动性变强。 1 3 重金属在作物体内的迁移与分布 l - 3 1 重金属迁移能力差异 李非里等【4 9 1 对在菜园土辣椒体系内重金属迁移能力大小顺序研究，辣椒的 富集系数大小表现为：c d c u z n p b 。邱喜阳【3 4 】等研究了重金属在土壤中的形 态分布及其在空心菜中的富集研究，证明空心菜中重金属的富集系数大小表现 为：c d z n c u p b 。陈燕等f 5 0 】研究了重金属在土壤玉米体系内的迁移，结果 表明玉米对土壤中重金属的富集顺序为：n i p b z n c r c u 。徐华伟等【5 1 1 的 研究表明野艾蒿对重会属的富集顺序表现为：c u p b c d z n 。滕达等旧研究表 明苦蒿对重金属的富集顺序为：c u z n p b c d ，刺槐对重金属的富集顺【序为： c u z n c d p b ，苦苣对重金属的富集顺序为：z n c u p b c d 。以上结果表明 不同重金属在不同作物体内的富集迁移能力不同。 1 3 2 不同器官( 或部位) 的分布差异 作物对重金属量的吸收一般与土壤中元素含量成正比，高剂量处理的作物吸 收量比低剂量处理的高。不同作物由于生物学特性不同，对重会属元素的吸收积 累量有明显的种间差异，吴燕玉等【5 3 】对不同作物对重金属元素的吸收的研究结果 表明：其顺序为豆类 小麦 水稻 玉米，且重金属元素在作物体内的分布，一般 为根 茎叶 籽实，呈宝塔状。吴燕玉等【5 3 5 4 1 对作物对重金属的吸收的研究结果表 明：水稻根部吸收多，向上迁移少，而大豆则是根部吸收少，向上迁移多。万金 颖1 5 5 】等的研究结果表明：水稻和小麦不同器官对重金属元素的吸收蓄积能力存在 差异，新陈代谢旺盛的器官累积量较大，而营养贮藏器官中累积量较小。l i u 等 1 5 6 1 的研究结果表明：重会属在小麦根中积累到一定程度后，茎部对重金属的代谢 机制可能弱化，从根部传输上来的重金属在茎部会逐渐积累，逐渐向籽实转移。 1 4 农作方式对重金属迁移的影响 施肥( 有机肥) 、地膜覆盖、温室大棚等是目前广泛使用的农作方式，这些 7 浙江丁业大学硕l ：学位论文 方式有利于改善土壤结构、增加土壤肥力或提供较优越的生长条件，同时对土壤 重会属的污染及其迁移也会产生影响。 1 4 1 地膜覆盖的影响 我国1 9 7 8 年从日本引进地膜覆盖技术。1 9 7 9 年在全国部分省、市、自治区 科研对蔬菜作物进行了4 0 多公顷的地膜覆盖试验，取得早熟、增产、增收的明 星效果。1 9 8 0 年迅速扩大到全国2 3 个省、市、计1 7 0 0 公顷，试验作物除蔬菜 外还有花生、棉花、水稻、瓜果等。1 9 8 1 年发展到1 5 万公顷，试验作物达7 0 余种。近2 0 年来，我国塑料薄膜覆盖应用飞速发展，应用面积越来越大。至2 0 0 4 年，塑料薄膜使用量已达1 6 8 力吨，覆盖面积达1 5 0 0 万公顷。 地膜覆盖栽培技术极大地促进了我国农业生产，尤其在低温季节和干燥地 区。然而，地膜使用后也带来了一系列环境方面的问题。地膜微温室效应导致 土壤温度和湿度升高，土壤水分运动方向以向上运动为主，因此随着水分的运动， 导致一些盐类【5 7 】和c d 、p b 和z n 等重金属在土壤表层积累。覆膜后，由于土 壤温度的升高，土壤根际的微生物群落也发生了显著变化1 5 9 l 。此外，地膜的使用 还阻碍了土壤与外界物质的交流。在裸露地表上，灌溉和降雨时，有相当数量的 水分可迅速通过大孔隙( 包括生物孔穴、裂隙和植物根孔) 迁移，到达深层土壤 或进入地下水【6 0 1 ，这可以带走部分重金属元素【6 ，地膜覆盖所产生的所有上述 效应还影响了土壤中重金属的活动性和生物有效性。李非里【6 2 】等对覆膜对土壤 青菜体系c u 和z n 迁移特性的影响的研究结果表明：覆膜后c u 的生物有效态含 量微有增加，而z n 的生物有效态含量降低了。 1 4 2 有机肥的影响 有机肥是我国农业生产的重要肥源，有机肥中含有大量的动植物残体、排泄 物、生物废弃物等物质。施用有机肥料不仅能为农作物提供全面单质养分和小分 子有机质，而且肥效长，可增加和更新土壤有机质。促进土壤微生物繁殖、改善 土壤的理化性质和提高生物活性，是绿色农业生产的养分来源1 6 3 】。 然而，有机肥的重要作用是以其本身无污染为前提。近年来，随着社会经济 的发展和环境压力的r 益增加，有机肥本身的污染同显突出，对有机肥资源的不 当利用造成环境污染的现象时有发生。长时间大量施用重金属含量高的有机肥将 8 浙江t 业人学硕i ：学位论文 会造成重金属在土壤中的累积【6 4 l ，从而对农作物产生污染。王开峰等【6 5 l 的研究 结果表明：施用厩肥明显提高了土壤中z n 、c u 和c d 的有效态含量和活化率。 李淑仪等陋】对有机肥施用量对小白菜中重金属含量的影响的研究表明：大量施用 有机肥会增加小白菜中的重金属含量。刘瑞伟掣6 7 j 对使用有机肥对重金属生物有 效性的研究表明：随着有机肥施用量的增加，土壤中全汞、全铅、有效铅、油菜 中铅的含量增加，此外还增加了重金属铅、汞的生物有效性。 1 5 本文的研究目的和意义 近年来，由于农药、化肥的大量施用，致使农田土壤重金属污染日趋严重。 重金属是环境中的持久性污染物，重金属污染不仅影响农作物生长和农产品质 量，并通过食物链危害人类健康。重金属在蔬菜中的富集已引起全球对蔬菜品质 的关注【6 蹦9 1 。蔬菜基地的分布多在城郊结合部，使得它受到了更多的来自城市的 重金属的污染【7 0 7 。我国从2 0 世纪9 0 年代初开始对蔬菜重金属污染进行研究， 基本掌握了我国蔬菜中重金属污染及分布特征。一些新技术、新农化产品的使用， 如温室大棚、地膜覆盖、有机肥( 来自大型养殖场的粪便加工而成的有机肥含有 大量的c u 、z n 等金属元素) 又成为了新的污染方式，对重金属向植物体系的迁 移产生了新的影响1 7 。事实上重金属由土壤向植物体内的迁移是一个非常复杂的 过程，除了元素本身的特性外，还受到来自生长土壤中重合属含量1 72 1 、土壤类 型和性质、蔬菜品种及不同部位、耕种方式以及气候等诸多方面的影响陬7 3 1 。 目前人们对温室大棚、地膜覆盖的研究多注重其农化性质的影响，如土壤的 盐碱化、硝化、有机质矿化等，但很少有人研究其对重金属迁移过程的影响。因 此研究地膜覆盖影响下重金属在土壤一蔬菜系统中迁移机制具有重要的现实意 义，它将为农产品的安全生产以及土壤重金属污染的修复等提供重要的理论数 据。为此我们采用盆栽种植和大田采样实验，通过蚕豆、玉米和莴苣3 种农作物 对地膜覆盖和有机肥影响下重金属的迁移进行了研究。 1 6 主要研究内容 本课题主要研究地膜微温室环境中的以下内容： 对比覆膜和不覆膜条件下对土壤物理、化学以及生物参数的影响规律。这些 9 浙江丁业大学硕i ：学位论义 参数包括：土壤水分、温度、氧化还原电位、土壤有机质、土壤微生物量、种群 结构( 细菌、放线菌、霉菌等) 以及土壤微生物学特征( 氧化还原酶、水解酶等 的活性) 的变化。 对比覆膜和不覆膜条件下，土壤中重金属迁移特征和形态分布的差异。 分别选择茎菜( 莴苣) 、果实类农作物( 蚕豆、玉米) 作为实验对象，对比 研究覆膜和不覆膜对重金属在农作物中的迁移、分布的影响。 探讨覆膜对土壤基本参数、土壤中重金属各形态与重会属在作物迁移规律问 的关系，揭示覆膜对土壤一农作物体系重金属的迁移机制和主要控制因素，探讨 农产品的安全生产以及重金属污染土壤的作物修复的可行性。 l o 浙江t 业人学硕l ：学位论文 2 1 实验设计 2 1 1 盆栽实验 第二章实验内容与方法 在浙江工业大学花圃盆栽作物( 18 个体积约为7 5l 的陶制花瓮) 。蚕豆于 2 0 0 7 年1 1 月种植，玉米于2 0 0 8 年年初种植，供试土壤为灰潮土。供试土壤的 实验设计见下表2 1 。 表2 1 供试土壤处理 7 r a b l e2 1s o i l t 他a t m e n t s p o f 0 - 对照，p l f 0 一覆膜，p o f l - 有机肥，p l f l 一覆膜和有机肥 其中9 株覆膜，发芽后，于根部覆盖白色聚乙烯薄膜，其余9 株不覆膜，作 为对照。种植期间观测土壤参数：温度。2 3 个月后，采集植物及植物根际土壤。 2 1 2 田间采样 采用田问采样，于2 0 0 9 年年初在杭州余杭农田设置采样点，莴苣生长期间 情况